HIRFL-CSR鈦升華泵的設計
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR) 所要求的真空度指標為6 ×10 - 9Pa 。在這個真空范圍內,殘余氣體的成分主要是H2 , 約占90 % ,其余成分以CO 為主。作者選擇鈦升華泵和濺射離子泵作為系統主抽氣泵。鈦升華泵抽除H2及CO 的效果非常好,但對惰性氣體和CH4幾乎沒有抽速,可以利用濺射離子泵抽除系統中殘存的少量Ar 及CH4 ,兩者配合,使系統達到超高真空。鈦升華泵與其他無油泵相比,在相同抽氣口徑下具有抽速大、極限真空高(與離子泵配合) 、使用壽命長、結構簡單、操作方便、價格便宜等優點。作者自行研制了適用于超高真空系統的HIRFL-CSR 鈦升華泵。
在溫度及氣體種類確定條件下,影響鈦升華泵在分子流條件下抽速的因素主要是泵口徑的大小、鈦膜的位置及面積、擋板的形狀及位置、鈦膜對所抽氣體的吸附系數等(不考慮吸氣量) 。鈦升華泵的工程計算方法只能按給定的少數條件來計算,特別是不能改變擋板的形狀。用蒙特卡洛法可以在計算機上模擬氣體分子在分子流下的運動,計算管道的流導以及低溫泵的抽速 。本文是作者在鈦升華泵口徑及短管長度不變的條件下,用蒙特卡洛法在計算機上模擬計算鈦升華泵擋板形狀、位置、吸附系數在不同條件下對抽速的影響以及實驗結果的報告。
圖1 是HIRFL-CSR 鈦升華泵的示意圖。鈦絲F 放置在圓柱形泵室的軸線位置。從鈦絲蒸發出來的鈦原子黏附在擋板2 內表面以及泵室內壁的3～5 部分。氣體分子從泵口1 經過短管6 飛入泵室后,將與各固體表面發生碰撞。根據各固體表面的吸附系數,確定該氣體分子被吸附還是被反射。當判定為吸附時,則加算到該表面吸附的分子數上;反之,如判定為反射,該氣體分子則再度飛離表面進入空間飛行,直到被表面吸附或飛離泵口1。根據被泵室內各表面吸附的氣體分子數與飛進泵口的氣體分子總數之比,即可求出氣體分子被鈦升華泵吸附的概率。用此概率乘以泵口該種氣體的流導,即可得出鈦升華泵對該種氣體的抽速。
圖1 HIRFL-CSR 鈦升華泵示意圖
在計算時,根據氣體分子運動論:
(1) 氣體分子在飛進泵口時的分布為余弦分布;
(2) 氣體分子與固體表面發生碰撞再次飛入空間時的分布也為余弦分布,而與入射到固體表面的角度無關;
(3) 在泵體內部,氣體分子處于分子流狀態,因而不考慮分子間碰撞,只考慮分子與固體表面碰撞。
在計算程序里,備有一個隨機數列,隨機選定氣體分子進入泵口以及飛離固體表面時的角度θ的數值,并隨機判定氣體分子是否被表面吸附。每次計算時,設定飛入泵口的氣體分子數為10 萬個。
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